体内三维微血管的发生主要涉及两个生物学过程，即血管新生和血管再生。探索影响微血管发生的生化及物理因素对进一步理解和治疗血管相关疾病具有重要意义。在血管新生和再生过程中，内皮细胞（ECs）的生长始于对周围三维基质的重塑，然后通过细胞-基质及细胞间相互作用形成三维微血管组织。因此，基质的动态重塑能力在调节三维微血管行为方面发挥关键作用。但是，基质塑性对三维微血管发生过程的影响规律以及相关的分子途径仍不清楚。

针对上述科学问题，西安交通大学生命学院仿生工程与生物力学研究所（BEBC）研究团队，开发了一种基于胶原蛋白-透明质酸的塑性可调水凝胶平台，用于探究基质塑性如何调控内皮细胞三维微血管发生的规律及机制。

图一 中等塑性水凝胶促进三维微血管再生

研究团队发现，三维基质塑性可通过诱导内皮细胞产生整合素簇、加强细胞收缩并与基质形成稳定连接的黏着斑，从而加速三维微血管网络的组装和生成。然而，与预期不同的是，研究发现在中等塑性基质中形成的三维脉管管腔直径与血管侵入距离等参数反而领先于高塑性基质。通过进一步分子生物学实验证实，尽管高塑性基质可诱导加强细胞收缩，但过于增强的细胞收缩力和细胞-基质相互作用会降低细胞VE-cad表达水平，从而破坏细胞间黏附连接，削弱内皮细胞的管腔生成及血管再生能力。此外，小鼠皮下移植实验也得到了相同结果。以上研究从力学生物学的角度探讨了三维微血管新生与再生的生物力学影响因素，强调了平衡的细胞收缩对血管发生的重要性，也为体外干预提供了实验和理论参考。

图二 内皮细胞响应三维基质塑性的分子通路示意图

该工作以“可控塑性水凝胶调控内皮细胞的血管新生和血管再生”(Hydrogels with Tunable Mechanical Plasticity Regulate Endothelial Cell Outgrowth in Vasculogenesis and Angiogenesis)为题，在《自然·通讯》(Nature Communications)上在线发表。西安交通大学生命学院、生物医学信息工程教育部重点实验室为论文第一作者单位和通讯作者单位。文章第一作者为西安交通大学生命学院魏钊特聘研究员和西安交通大学生命学院博士生雷萌，通讯作者为西安交通大学生命学院徐峰教授和杜克大学Sharon Gerecht院士。文章其他作者包括博士生王耀辉、硕士研究生谢一州等人。该工作得到了国家自然科学基金、陕西省高层次人才引进计划及西安交通大学青年人才支持计划等项目资助。

西安交通大学仿生工程与生物力学研究所(BEBC)在力学微环境领域开展了从组织到细胞和分子尺度的多尺度生物热-力-电耦合学等基础和应用研究，为阐明重大疾病的发病机理和临床诊疗提供有效的理论指导和技术方案。特别是近年来，在生物力学和力学生物学的研究基础上，通过工程学手段，将不同尺度的力学调控引入疾病治疗，开展了一系列基于生物力学和力生物学的力医学(mechanomedicine)研究。

魏钊特聘研究员加入BEBC团队后，聚焦三维细胞力-氧诱导微环境及其生物学机制研究。通过水凝胶支架的仿生化设计及体外三维细胞培养平台构建，在三维细胞-材料界面效应及细胞力学生物学等交叉领域开展了一系列工作。第一/通讯研究成果发表在《细胞-干细胞》（Cell Stem Cell）、《自然通讯》（Nature Communications）、《美国科学院院报》(PNAS)、《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)等期刊。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43768-0

BEBC网站主页：http://bebc.xjtu.edu.cn/